BÀI HỌC VẬT LÍ 10 · KẾT NỐI TRI THỨC

BÀI 24. CÔNG SUẤT

Tốc độ thực hiện công · Công suất trung bình và tức thời · Lực, vận tốc và ứng dụng

📘 Chương IV · Năng lượng🧪 2 mô phỏng + 1 thực hành📝 22 câu · 10 điểm
01 · MỤC TIÊU

Mục tiêu thực hành

01 · Định hướng

Mục tiêu học tập

Kiến thức

Phát biểu được khái niệm công suất, tính được công suất trung bình bằng công chia thời gian; giải thích công suất tức thời và quan hệ với lực – vận tốc; phân biệt W, kW và kWh.

Năng lực

Tính toán và kiểm chứng từ số liệu; vẽ – đọc đồ thị công theo thời gian; xác định hướng của lực khi tính công suất; lập phương án đo công suất của người khi lên cầu thang và trình bày kết quả.

Câu hỏi mở đầu: Hai người cùng chuyển 10 thùng hàng lên tầng 2, một người mất 5 phút và người kia mất 8 phút. Nếu công thực hiện như nhau, ai có công suất lớn hơn? Tại sao không chỉ so độ lớn của công?
02 · KIẾN THỨC

Cơ sở lí thuyết và quy tắc

02 · Khám phá

Kiến thức trọng tâm và công thức

Bài học triển khai ba phần của SGK: I. Khái niệm công suất, II. Công thức tính công suất và III. Liên hệ giữa công suất với lực và tốc độ. Công suất đo mức độ nhanh/chậm của quá trình thực hiện công, không phải tổng lượng công đã làm.

Công thức

Công suất trung bình

\[\mathcal P_{\mathrm{tb}}=\frac{A}{\Delta t}\]

Ý nghĩa: Công thực hiện trong một đơn vị thời gian. Nếu quá trình có công sinh ra thay đổi theo thời gian, đây là giá trị trung bình trong khoảng khảo sát.

Kí hiệuÝ nghĩaĐơn vị SI
\(\mathcal P_{\mathrm{tb}}\)Công suất trung bìnhW
\(A\)Công của lực (có thể âm nếu lực cản chuyển động)J
\(\Delta t\)Khoảng thời gian thực hiện công (dương)s

Đơn vị: \(1\,\mathrm W=1\,\mathrm{J/s}\). Dùng \(1\,\mathrm{kW}=10^3\,\mathrm W\), \(1\,\mathrm{MW}=10^6\,\mathrm W\).

Công thức

Công và năng lượng từ công suất không đổi

\[A=\mathcal P\,\Delta t\]

Với công suất không đổi, công thực hiện tỉ lệ thuận thời gian. kWh là đơn vị công/năng lượng, không phải đơn vị công suất.

Kí hiệuÝ nghĩaĐơn vị SI
\(A\)Công hoặc năng lượng truyền bằng côngJ
\(\mathcal P\)Công suất không đổiW
\(\Delta t\)Thời gians

Quy đổi: \(1\,\mathrm{kWh}=1000\,\mathrm W\times3600\,\mathrm s=3{,}6\times10^6\,\mathrm J\).

Công thức

Công suất tức thời của một lực

\[\mathcal P=\vec F\cdot\vec v=Fv\cos\alpha\]

\(\vec F\) là vectơ lực, \(\vec v\) là vectơ vận tốc tức thời; \(\alpha\) là góc giữa hai vectơ. Khi lực cùng hướng vận tốc: \(\mathcal P=Fv\). Lực vuông góc vận tốc: công suất bằng 0; lực ngược hướng vận tốc: công suất âm.

Kí hiệuÝ nghĩaĐơn vị SI
\(\vec F\)Vectơ lực tác dụngN
\(\vec v\)Vectơ vận tốc tức thờim/s
\(F,v\)Độ lớn lực và tốc độN; m/s
\(\alpha\)Góc giữa hai vectơđộ (°) hoặc rad

Điều kiện: công suất của lực đang xét tại thời điểm xác định. Nếu xét công suất trung bình trong một khoảng thời gian, dùng công của lực chia khoảng thời gian đó.

Công thức

Công suất nâng vật lên cao

\[\mathcal P_{\mathrm{tb}}=\frac{mgh}{\Delta t}\]

Trường hợp vật được nâng lên cao thêm \(h\), vận tốc đầu và cuối bằng nhau, bỏ qua tổn hao: công tối thiểu của lực nâng bằng \(mgh\). Nếu vật chuyển động đều, lực nâng có độ lớn \(F=mg\).

Kí hiệuÝ nghĩaĐơn vị SI
\(m\)Khối lượng vậtkg
\(g\)Độ lớn gia tốc trọng trườngm/s²
\(h\)Độ tăng độ caom
\(\Delta t\)Thời gian nângs

Chú ý: Đây là công suất cơ học có ích; công suất điện tiêu thụ của động cơ thường lớn hơn vì hiệu suất nhỏ hơn 100%.

Cùng một công A = 600 JMáy A: 5 s120 WMáy B: 10 s60 WCông suất lớn hơn không đồng nghĩa tổng công lớn hơn.
Hình 24.1 – Hai thiết bị sinh cùng 600 J công nhưng thời gian khác nhau. Hình SVG do HAT dựng.
Ví dụ 1 – Nâng nước: Kéo một xô nước 15 kg lên 8 m trong 10 s, bỏ qua tổn hao, lấy \(g=10\,\mathrm{m/s^2}\). Công: \(A=15\cdot10\cdot8=1200\,\mathrm J\); công suất trung bình \(\mathcal P=120\,\mathrm W\).
Ví dụ 2 – Động cơ và góc: Lực \(\vec F\) có độ lớn 200 N, hợp với \(\vec v\) có tốc độ 3 m/s một góc 60°. Công suất tức thời: \(\mathcal P=200\cdot3\cdot\cos60^\circ=300\,\mathrm W\). Không được lấy 600 W khi lực không song song với vận tốc.
Ví dụ 3 – kWh: Một thiết bị có công suất không đổi 1,5 kW hoạt động trong 2 giờ đã truyền \(A=1{,}5\times2=3\,\mathrm{kWh}=10{,}8\,\mathrm{MJ}\) năng lượng.
03 · THÍ NGHIỆM

Hai phép đo và báo cáo

03 · Quan sát, thực hành

Thí nghiệm và mô phỏng công suất

Ba hoạt động sau giúp kiểm chứng định lượng công suất trung bình, công suất tức thời và cách xác định công suất của người khi lên cầu thang. Các mô phỏng đều là mô hình lí tưởng, không phải số liệu đo thật.

🧪 Mô phỏng 01

Hai động cơ nâng vật: cùng công, khác thời gian

Công nâng mỗi vật1568 J
Công suất máy A313,6 W
Công suất máy B156,8 W
Máy AMáy B

Giả thiết: nâng đều từ độ cao ban đầu 0; dây, ròng rọc lí tưởng; hai máy có cùng tải trọng và quãng nâng. Lấy g = 9,8 m/s². Đường dốc hơn trên đồ thị công–thời gian ứng với công suất lớn hơn.

Quan sát và trả lời

  1. Giữ m và h cố định, tăng thời gian máy A gấp đôi: công và công suất thay đổi như thế nào?
  2. Thay đổi khối lượng: điều gì xảy ra với độ dốc của hai đường công–thời gian?
  3. Tại thời điểm máy A đã lên đến đích nhưng máy B chưa đến, công thực hiện của từng máy có bằng nhau không?
🧪 Mô phỏng 02

Công suất tức thời của lực khi đổi góc

Công suất tức thời389,7 W
Thành phần lực theo v129,9 N
Trạng thái sinh côngDương

Mô hình tại một thời điểm: vật chuyển động theo chiều ngang sang phải; lực đặt trong mặt phẳng hình, góc \(\alpha\) tính từ hướng vận tốc đến hướng lực. Lực vuông góc không sinh công tức thời; lực ngược chiều sinh công âm.

Quan sát và trả lời

  1. Giữ F và v không đổi, đặt góc bằng 0°, 90°, 180°: so sánh ba giá trị công suất.
  2. Khi tăng v gấp đôi và giữ góc không đổi, công suất tức thời thay đổi ra sao?
  3. Tại sao độ lớn lực lớn vẫn có thể không sinh công?
📋 Hoạt động thực hành

Đo công suất khi đi lên cầu thang

Dụng cụ: cân đo khối lượng, thước đo chiều cao bậc, đồng hồ bấm giây; thực hiện trên đoạn cầu thang ngắn, chắc chắn. An toàn: đi bộ, không chạy đua; mỗi lần chỉ một người thực hành.

  1. Đo khối lượng mỗi người; đo độ cao theo phương thẳng đứng từ điểm đầu đến cuối.
  2. Đo thời gian lên cầu thang (nên đo lặp lại). Nhập số liệu đo thực vào bảng.
  3. Tính công có ích \(A=mgh\) và công suất trung bình \(\mathcal P=A/t\). Đây là công suất cơ học trung bình gắn với việc nâng trọng tâm, không đại diện toàn bộ mức tiêu hao năng lượng của cơ thể.
Chưa nhập dữ liệu
STTNgười thực hànhm (kg)h (m)t (s)A (J)\(\mathcal P\) (W)
Nhập khối lượng, độ cao và thời gian để phần mềm tính công suất.

Số liệu minh họa do chương trình dựng chỉ phục vụ luyện tập; khi nhập dữ liệu đo thực cần tự kiểm chứng độ chính xác của phép đo. Tham khảo phương án đo công suất leo cầu thang từ phần hoạt động SGK Bài 24 và tài liệu thí nghiệm BBC Bitesize.

🔎 Quan sát mở rộng

PhET – Chuyển hóa năng lượng

PhET minh họa sự thay đổi động năng, thế năng và năng lượng nhiệt. Không coi đây là mô phỏng đo công suất: hoạt động này dùng để liên hệ công suất với tốc độ biến đổi năng lượng; hai mô phỏng HAT ở trên mới trực tiếp tính công suất.

Quan sát và trả lời

  1. Ở các vị trí cao và thấp của quỹ đạo, động năng và thế năng biến đổi như thế nào?
  2. Nếu cùng một độ biến thiên năng lượng diễn ra trong thời gian ngắn hơn, công suất trung bình lớn hơn hay nhỏ hơn?

Nguồn: PhET Interactive Simulations, University of Colorado Boulder.

04 · LUYỆN TẬP

Kiểm tra bốn dạng · 10 điểm

04 · Luyện tập

Luyện tập Bài 24 – Công suất

8ABCD · 2 điểm
4Đúng/Sai · 4 điểm
8Trả lời ngắn · 2 điểm
2Tự luận · 2 điểm
Thang điểm 10: ABCD 0,25/câu; Đúng/Sai 4 ý: 0 – 0,10 – 0,25 – 0,50 – 1,00 điểm; trả lời ngắn 0,25/câu. Hai câu tự luận chờ đánh giá theo rubric, không bị tính 0 khi chưa chấm.
05 · HỆ THỐNG

Bản đồ tư duy

05 · Hệ thống hóa

Bản đồ tư duy – Công suất

Từ công và thời gian đến công suất trung bình, công suất tức thời, đơn vị và phương pháp đo.

Sơ đồ sáu nhánh; có thể mở dạng danh sách để đọc trên điện thoại.
Xem dạng danh sách
06 · MỞ RỘNG

Em có biết?

06 · Mở rộng, vận dụng

Em có biết?

📜 Lịch sử

Vì sao đơn vị công suất mang tên Watt?

Đơn vị W được đặt theo tên James Watt (1736–1819), người có những cải tiến quan trọng với động cơ hơi nước. Việc mô tả tốc độ thực hiện công giúp so sánh hiệu năng các máy.

Tra cứu: BIPM – hệ đơn vị SI và các tài liệu lịch sử về James Watt.

🔧 Ứng dụng

Xe lên dốc phải dùng số thấp?

Ở cùng một công suất cơ học gần đúng, tốc độ giảm thì lực kéo có thể tăng vì \(\mathcal P=Fv\) khi lực kéo cùng chiều vận tốc. Hộp số giúp thay đổi quan hệ giữa tốc độ quay và mômen kéo; không tạo ra năng lượng miễn phí.

💡 Phân biệt

Công suất định mức khác điện năng tiêu thụ

Một bóng đèn điện có nhãn 10 W nói đến công suất điện tiêu thụ ở điều kiện định mức. Nếu hoạt động 5 giờ, điện năng tiêu thụ là 50 Wh = 0,05 kWh. Đơn vị kWh đo năng lượng; kW đo công suất. Không suy ra công suất cơ học có ích của động cơ bằng công suất điện vào khi chưa biết hiệu suất.